直升飛機輔助外掛油箱靜強度試驗載荷計算方法

姜文英，何曉勃，張茹遠，張龍飛

（中國航天科技集團公司第四研究院四〇一所，陜西西安710025）

直升飛機輔助外掛油箱靜強度試驗載荷計算方法

姜文英，何曉勃，張茹遠，張龍飛

（中國航天科技集團公司第四研究院四〇一所，陜西西安710025）

為飛機輔助外掛油箱的分段式靜力加載方法提供載荷計算方法，給出了輔助外掛油箱試驗載荷計算過程中的載荷簡化方法和模型，并以實例展示了整個計算方法和處理過程。所提出的試驗載荷計算方法在有限的計算量下較大地提高了試驗載荷的計算準確性，能夠滿足輔助外掛油箱采用分段式加載方法的載荷計算需要，對試驗實踐過程具有較強的指導意義。

直升飛機；輔助外掛油箱；靜強度試驗；載荷計算

某直升飛機采用了新式的輔助外掛油箱，有效提高了直升飛機的續航能力，在直升飛機工作過程中，輔助外掛油箱會承受多方向、多特性的載荷。為了考核油箱在實際工作中的力學強度，需對輔助外掛油箱進行地面模擬試驗。輔助外掛油箱的靜力試驗載荷包括氣動載荷和設計載荷2部分，氣動載荷按截面分段提供，設計載荷以慣性系數的方式給出。

目前，比較先進的輔助外掛油箱靜力試驗方法為按截面分段加載法，即將所有不同類型的載荷按截面分段求和，在同一加載方向上對各分段試驗載荷求局部合力，然后單向加載，實現試驗載荷在輔助外掛油箱上的施加。

在常規的載荷計算中，由于油箱球頭結構及油箱腔內實際填充率不為100%，分段內的設計載荷計算難度和計算量較大，常規對于試驗載荷的計算處理方法比較簡單，試驗載荷準確性不夠高。為了進一步提供更準確的外掛油箱靜強度試驗載荷，復現輔助外掛油箱的實際工況，本文提出了一種新的高效的外掛油箱靜強度載荷計算方法，試驗載荷計算結果更為準確可靠，可以滿足當前的試驗要求。

1 試驗件概況

試驗目標為輔助外掛油箱，用于貯存并向主油箱輸送燃油，增加直升飛機的航程。油箱外形結構和坐標系見圖1，主要戰術技術指標見表1.

圖1 輔助外掛油箱外形結構和坐標系示意圖

表1 輔助外掛油箱主要戰術技術指標

2 載荷要求

試驗載荷包括設計載荷和氣動分布載荷2部分。輔助外掛油箱的設計載荷分別為：Fxmax＝-4 g，Fymax＝3 g，Fzmax＝6 g；氣動載荷分別見表2.

表2 狀態1各段氣動分布載荷

3 試驗方法概要

輔助外掛油箱采用分段式加載方法，采用帆布帶加載方式，以杠桿為簡化合成加載力的手段進行輔助外掛油箱的靜力試驗。

4 載荷計算

由于外掛油箱氣動載荷按截面分段給出，為方便加載油箱的設計載荷，按同樣的截面分段方法進行計算，計算后將油箱的氣動載荷和設計載荷按截面分段疊加，然后根據試驗方案進行下一步的試驗載荷簡化計算。在油箱的分段上，最終的試驗載荷為該分段的氣動載荷與該分段的設計載荷之和。氣動載荷由試驗單位給出，分段內設計載荷由油箱分段內燃油及空油箱中段質量產生的設計載荷和油箱分段內零部件質量產生的設計載荷2部分組成。

最終的試驗載荷計算步驟如下。

步驟一，油箱分段體積。油箱在各個分段上的體積由旋轉體體積公式求出，旋轉體的體積公式為：

式（1）中：i為油箱分段號；a，b分別為油箱第i段的上、下邊界坐標。

步驟二，燃油及蒙皮的分段質量。為了方便計算和分析，將油箱中的V體積的油（密度為0.775 g/mm3）等效為充滿油箱的等效液體，等效液體的密度為0.686 3 g/mm3。燃油及蒙皮在油箱各個分段上的質量計算結果見表3.

表3 燃油及蒙皮分段質量

步驟三，油箱載油分段總質量。油箱載油分段總質量為燃油及蒙皮分段質量與油箱分段內零部件分段質量之和，具體方法為將油箱各零部件的質量按截面坐標向各個分段分配，然后與燃油及蒙皮分段質量求和，得到油箱載油分段總質量。

步驟四，油箱載油設計載荷。輔助外掛油箱的設計載荷為Fxmax＝-4 g，Fymax＝3 g和Fzmax＝6 g，根據油箱載油分段總質量計算出油箱載油設計載荷，見表4.

表4 油箱載油設計載荷

步驟五，油箱試驗載荷。試驗載荷為氣動載荷與X向設計載荷之和，計算結果見表5.

表5 狀態1試驗載荷

5 創新點

輔助外掛油箱靜強度試驗計算方法創新點為：①以往油箱蒙皮設計載荷計算是將油箱蒙皮設計載荷按照分段長度分配到各截面，本文利用積分方法精確計算油箱蒙皮在各分段上的設計載荷，相較常規計算方法提高了設計載荷計算的準確性。②以往計算燃油設計載荷的方法是將V體積燃油設計載荷按分段長度分配在各分段上，對部分型號油箱球頭分段長度進行系數修正，修正系數為2/3.本文的計算方法為將V體積燃油等效為充滿油箱的等效液體（燃油實際填充率88.56%），等效原則為等質量原則，等效完成后用積分的方法精確計算燃油等效液體在油箱各分段上的設計載荷。相較以往，本文的燃油設計載荷計算方法準確性有較大提高，在保證較高準確性的前提下也考慮了計算量的控制。

6 結論

輔助外掛油箱靜強度試驗方法復雜，試驗載荷計算難度和計算量較大。本文提出的試驗載荷計算方法在有限的計算量下較大地提高了試驗載荷的計算準確性，能夠滿足輔助外掛油箱采用分段式加載方法的載荷計算需要，并且對試驗實踐過程具有較強的指導意義。

［1］李艷麗，王逸迅.旋轉體體積的計算方法［J］.西安理工大學學報，2008（03）.

［2］陳珍培.空間情形下旋轉體體積的近似計算［J］.高等數學研究，2017（02）.

［3］許廣海，趙保平.均勻設計在飛行器靜力試驗中的應用［G］//2007均勻試驗設計學術交流會論文集，2007.

〔編輯：劉曉芳〕

V216

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.074

2095-6835（2017）15-0074-02